KR100945993B1

KR100945993B1 - 반도체 레이저 다이오드

Info

Publication number: KR100945993B1
Application number: KR1020080021087A
Authority: KR
Inventors: 이원신
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2010-03-09
Also published as: KR20090095874A

Abstract

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는, 기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층과 하부 도파층과, 상기 하부 도파층 상에 형성되며, 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 상부 도파층과, 상기 상부 도파층 상에 형성되며, 상부의 일부 영역에 리지를 갖는 p형 클래드층과, 상기 p형 클래드층의 리지 상에 형성된 투명전극층 및 각각 상기 n형 및 p형 클래드층과 전기적으로 연결되도록 형성된 n형 및 p형 전극을 포함하되, 상기 활성층으로부터 상기 리지의 상면까지의 거리는 3000Å 이하이며, 상기 투명전극층의 두께는 2000Å 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드를 제공한다. 본 발명에 따르면, 높은 인듐 조성비(25% 이상)의 활성층을 갖는 레이저 다이오드를 구현함에 있어서, 활성층의 열적 피해를 최소화함으로써 발광특성이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 제공할 수 있다.

반도체 레이저 다이오드(semiconductor laser diode), 인듐(Indium), 녹색(green), TCO, ITO

Description

반도체 레이저 다이오드 {SEMICONDUCTOR LASER DIODE}

본 발명은 반도체 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 반도체 레이저 다이오드에 관한 것이다.

최근, DVD(Digital Versatile Disk)와 같은 광기록/재생 장치가 널리 보급되면서 광 기록 장치의 핵심 부품인 반도체 레이저 다이오드(LD)에 대한 수요가 급격히 증대하고 있다.

일반적인 반도체 레이저 다이오드는 기판, 에피층, 절연막, n형 및 p형 전극을 구비한다. 여기서, 상기 에피층은 n형 클래드층, n형 도파층, 활성층, p형 도파층, p형 클래드층 및 p형 컨택층이 순차적으로 형성되며, 특히, 상기 에피층의 최상부의 층에 속하는 상기 p형 클래드층과 p형 컨택층은 리지(Ridge) 구조를 갖도록 형성된다.

이러한 종래 기술에 따른 반도체 레이저 다이오드는 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 경우, 활성층에 포함된 인듐 함량이 높아져야 하는 데, 이에 따라, p형 클래드층의 성장 시에 활성층이 열적 피해를 받는 문제가 있다. 즉, 활성층으로 일 반적으로 채용될 수 있는 InGaN의 성장 온도가 700 ~ 800℃인 것에 비하여 p형 클래드층으로 사용되는 AlGaN층의 성장 온도는 900℃ 이상이므로 , p형 클래드층이 성장 시 인듐의 확산이나 편석(Segregation)이 생길 수 있는 것이다.

이와 같이, 종래의 반도체 레이저 다이오드는 녹색 파장 대역의 빛에 사용하는 경우 활성층의 품질 저하로 인해 발광 효율이 저하되는 문제가 있으며, 본 기술 분야에서는 고품질의 녹색 반도체 레이저 다이오드의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 높은 인듐 조성비를 가지면서 발광특성이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 제공하는데에 있다.

상기한 기술적 과제를 실현하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,

기판과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층과 하부 도파층과, 상기 하부 도파층 상에 형성되며, 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 상부 도파층과, 상기 상부 도파층 상에 형성되며, 상부의 일부 영역에 리지를 갖는 p형 클래드층과, 상기 p형 클래드층의 리지 상에 형성된 투명전극층 및 각각 상기 n형 및 p형 클래드층과 전기적으로 연결되도록 형성된 n형 및 p형 전극을 포함하되, 상기 활성층으로부터 상기 리지의 상면까지의 거리는 3000Å 이하이며, 상기 투명전극층의 두께는 2000Å 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드를 제공한다.

바람직한 경우로서, 상기 투명전극층은 투명전도성 산화물로 이루어질 수 있으며, 구체적으로, 상기 투명전극층은 ITO, ZnO, SnO₂, TiO₂, MIO, ZIO 및 CIO로 구 성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 활성층에서 방출되는 빛의 파장은 490 ~ 570㎚인 것이 바람직하며, 이를 위해, 상기 활성층은 하나 이상의 양자우물층을 구비하며, 상기 양자우물층에는 인듐이 25% 이상의 조성비로 포함된 것일 수 있다.

또한, 상기 리지의 두께는 500Å 이상인 것이 횡방향 FFP를 충분히 크게 하기 위해 바람직하다.

실시 형태에 따라서는, 상기 반도체 레이저 다이오드는 상기 p형 클래드층 및 상기 투명전극층의 외부면을 감싸도록 형성되되, 상기 투명전극층의 상부를 노출시키는 개구를 갖는 절연층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 절연층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 n형 클래드층, 상부 도파층, 활성층, 하부 도파층 및 p형 클래드층은 질화물로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 높은 인듐 조성비(25% 이상)의 활성층을 갖는 레이저 다이오드를 구현함에 있어서, 활성층의 열적 피해를 최소화함으로써 발광특성이 향상된 반도체 레이저 다이오드를 제공할 수 있다. 따라서, 장파장, 특히 녹색 방출파장광의 반도체 레이저 다이오드에서도, 높은 인듐 조성비로 인해 인듐 편석 또는 낮은 성장 온도에 따른 결정성 저하 문제를 완화시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드(100)는 기판(101)과 그 위에 순차적으로 형성된 n형 클래드층(102), 하부 도파층(103), 활성층(104), 상부 도파층(105), p형 클래드층(106)을 구비하며, 상기 p형 클래드층(106)의 리지 구조 상에는 투명전극층(107)이 형성된다. 또한, 상기 기판(101)의 하면과 상기 투명전극층(107)의 상면에는 각각 n형 및 p형 전극(109a, 109b)이 형성되며, 상기 p형 클래드층(106) 상에는 리지 구조와 투명전극층(107)을 덮는 절연층(108)이 형성된다.

상기 반도체 레이저 다이오드(100)는 수직구조 반도체 레이저 다이오드로서, 상기 기판(101)은 n-GaAs 기판, GaN 기판과 같은 도전성 기판에 해당한다.

상기 n형 및 p형 클래드층(102, 106)은 각각 하부 및 상부 클래드층에 해당하며, n-GalnP층 또는 III-V족 원소를 포함하는 2원계, 3원계 혹은 4원계 화합물 반도체층일 수 있다. 또한, 상기 하부 및 상부 도파층(103, 105)은 비도프된 GaAs층 또는 III-V족 화합물 반도체층일 수 있다.

본 실시형태에 채용된 상기 활성층(104)은 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층 된 다중양자우물구조를 가질 수 있다. 특히, 상기 활성층(104)에 포함된 양자우물층은 인듐 조성비가 25% 이상이며, 예를 들어 3성분계인 경우에 In₁ _- _xGa_xN (0.25<x<1)일 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층은 녹색 파장 대역(약 490 ~ 570㎚)에 해당하는 빛을 방출할 수 있다. 한편, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층보다 높은 에너지 밴드갭을 갖는 질화물 단결정이며, 예를 들어 GaN일 수 있다. 후술할 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드에서는 녹색 파장 대역의 빛을 방출하면서도 p형 클래드층(106) 및 투명전극층(107)의 성장 조건을 적절히 제어함으로써 활성층의 열적 손상을 최소화할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 p형 클래드층(106)의 일부 영역에는 리지 구조가 형성되며, 상기 리지 구조의 상면 및 측면에는 각각 투명전극층(107)과 절연 층(108)이 형성된다. 상술한 바와 같이, 상기 활성층(104)은 녹색 파장 대역의 빛을 방출하기 위해 인듐 함량이 높은 것을 특징으로 하며, 그 성장 온도는 약 700 ~ 800℃가 된다. 이에 따라, 활성층(104) 위에 형성되는 p형 클래드층(106)의 성장 시간을 길게 할수록 활성층(104)에서는 인듐 확산, 편석 등의 열적 손상이 일어날 수 있다. 이는 종래 기술에서도 지적한 바와 같이 p형 클래드층(106)의 성장 온도(예를 들어, p-AlGaN층을 사용하는 경우, 900℃ 이상)가 활성층(104)의 성장 온도보다 높기 때문이다. 이를 위해 상기 활성층(104)으로부터 상기 p형 클래드층(106)의 리지 상면까지의 거리(t1)는 3000Å 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이하, 상기 활성층(104)으로부터 상기 p형 클래드층(106)의 리지 상면까지의 거리(t1)의 바람직한 조건이 도출된 근거를 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 도 1의 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드에서 활성층으로부터 p형 클래드층의 리지 상면까지의 거리에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이다. 여기서, 발광효율은 PL 강도(arb. unit)를 측정하여 나타내었다. 도 3에 도시된 바와 같이, p형 클래드층의 리지 상면까지의 거리(t1)가 활성층으로부터 멀어질수록 p형 클래드층의 성장 시간이 길어져 활성층의 열적 손상이 커지며, 이에 따라, 발광효율이 저하되는 것을 볼 수 있다. 특히, 상기 거리(t1)가 약 3000Å 이상이 될 경우, 발광효율이 최대치의 50% 이하로 현저히 저하되는 것을 볼 수 있다.

이와 같이, p형 클래드층(106)의 성장 시간을 되도록 짧게 함으로써 활성 층(104)의 열적 손상을 최소화할 수 있으나, 얇은 두께로 인해 클래딩 기능이 저하될 수 있으므로, 본 실시 형태에서는 컨택전극층으로서 투명전극층(107)을 사용하였다. 이 경우, 상기 투명전극층(107)으로는 투명전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO), 예를 들어, ITO, ZnO, SnO₂, TiO₂, MIO, ZIO, CIO 등을 사용함이 바람직하다. 여기서, MIO, ZIO, CIO는 In₂O₃에 각각 Mg, Zn, Cu가 첨가된 것을 말한다. 이와 같이, 투명전극층(107)을 p형 컨택층으로 사용함으로써 상대적으로 얇게 형성된 p형 클래드층(106)의 기능을 보완할 수 있으며, 활성층(104)의 열적 손상을 최소화할 수 있다. 즉, 일반적으로 ITO 등이 증착되는 온도는 200 ~ 300℃인 점을 고려하였을 때, 투명전극층(107)을 상대적으로 두껍게 형성하더라도 활성층(104)의 열적 손상이 거의 없을 것으로 예상할 수 있다. 나아가, p형 컨택층으로서 TCO를 사용함으로써 금속을 사용하는 경우에 비하여 빛의 손실을 최소화할 수 있다.

한편, 충분한 클래딩 기능을 얻기 위하여 상기 투명전극층(107)의 두께(t2)는 2000Å 이상인 것이 바람직하다. 또한, 횡방향 FFP(Far Field Pattern)을 충분히 크게 하기 위한 측면에서, 상기 p형 클래드층(106)의 리지는 500Å 이상의 두께(t3)를 갖는다. 다음으로, 상기 투명전극층(107)과 p형 클래드층(106)을 덮는 절연층(108)은 적어도 상기 투명전극층(107)의 상면을 노출시키는 개구부를 가지며, 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물을 가지고 형성할 수 있다.

상기 p형 클래드층(106)의 리지 구조는 상기 리지 구조 외의 영역에 해당하는 p형 클래드층(106)을 식각 하여 얻을 수 있으며, 상기 절연층(108) 및 투명전극층(107)은 당 기술 분야에서 공지된 공정, 예를 들어, 증착 등의 방법으로 형성될 수 있다.

도시하지는 않았으나, 실시 형태에 따라서, 상기 반도체 레이저 다이오드(100)에는 상기 활성층(104)과 상부 도파층(105) 사이에는 p형 전자 차단층(EBL)이 더 포함될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드를 나타내는 단면도이다.

본 실시 형태의 경우, 수평구조 반도체 레이저 다이오드로서, 상기 반도체 레이저 다이오드(200)는 도 1의 실시 형태와 마찬가지로 기판(201)과 그 위에 순차적으로 형성된 n형 클래드층(202), 하부 도파층(203), 활성층(204), 상부 도파층(205), 리지 구조를 갖는 p형 클래드층(206)을 구비하며, 상기 p형 클래드층(206)의 리지 구조 상에는 투명전극층(207)이 형성된다. 또한, 상기 n형 클래드층(202)의 일부 영역과 상기 투명전극층(207)의 상면에는 각각 n형 및 p형 전극(209a, 209b)이 형성되며, 상기 p형 클래드층(206) 및 n형 클래드층(202) 상에는 리지 구조와 투명전극층(207)을 덮는 절연층(208)이 형성된다. 도 1의 경우와 다른 점은 상술한 바와 같이 전극이 수평구조로 형성되어 있으며, 상기 기판(201)이 사 파이어 등의 절연 기판일 수 있다는 것이다. 이러한 차이 외의 다른 사항은 도 1과 동일한 것으로 이해할 수 있으며, 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 3은 도 1의 실시 형태에 따른 반도체 레이저 다이오드에서 활성층으로부터 p형 클래드층의 리지 상면까지의 거리에 따른 발광효율을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

101: 기판 102: n형 클래드층

103: 하부 도파층 104: 활성층

105: 상부 도파층 106: p형 클래드층

107: 투명전극층 108: 절연층

109a, 109b: n형 및 p형 전극

Claims

기판;

상기 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 클래드층과 하부 도파층;

상기 하부 도파층 상에 형성되며, 녹색 파장 대역의 빛을 방출하는 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 상부 도파층;

상기 상부 도파층 상에 형성되며, 상부의 일부 영역에 리지를 갖는 p형 클래드층;

상기 p형 클래드층의 리지 상에 형성된 투명전극층; 및

각각 상기 n형 및 p형 클래드층과 전기적으로 연결되도록 형성된 n형 및 p형 전극;을 포함하되,

상기 활성층으로부터 상기 리지의 상면까지의 거리는 3000Å 이하이며, 상기 투명전극층의 두께는 2000Å 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 투명전극층은 투명전도성 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제2항에 있어서,

상기 투명전극층은 ITO, ZnO, SnO₂, TiO₂, MIO, ZIO 및 CIO로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 활성층에서 방출되는 빛의 파장은 490 ~ 570㎚인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 활성층은 하나 이상의 양자우물층을 구비하며, 상기 양자우물층에는 인듐이 25% 이상의 조성비로 포함된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 리지의 두께는 500Å 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 p형 클래드층 및 상기 투명전극층의 외부면을 감싸도록 형성되되, 상기 투명전극층의 상부를 노출시키는 개구를 갖는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제7항에 있어서,

상기 절연층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 n형 클래드층, 상부 도파층, 활성층, 하부 도파층 및 p형 클래드층은 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 다이오드.